Сравнительный анализ биоэлектрической активности и циркуляторного обеспечения головного мозга у подростков при острой гипоксии

Введение. Несмотря на то что возрастные аспекты трофики и снабжения организма кислородом в целом уже известны, зависимость биоэлектрической активности нейронов определенных долей коры больших полушарий от их кровоснабжения и питания кислородом у подростков изучена недостаточно. В настоящий момент исследований об изменениях кровоснабжения, питания О 2 и биоэлектрической активности клеток головного мозга подростков в условиях гипоксии крайне мало [1–7].

Как известно, функциональная система дыхания (ФСД) ответственна за скорость поэтапной доставки кислорода, адекватной потребностям организма, и поддержание рО2 в тканях на уровнях выше критических. Центральная и автономная эндокринные системы выполняют роль центров управления всеми функциями органов дыхания, кровообращения, кроветворения, которые обеспечивают поступление кислорода в ткани и его утилизацию с образованием СО2 и АТФ во всем орга- низме, в т.ч. и в клетках головного мозга [8]. Исследование изменений состояния ФСД при гипоксии у детей пубертатного периода дает новое представление о снабжении головного мозга кислородом как в условиях нормоксии, так и в условиях дыхания воздухом, обедненным кислородом.

Вопросы взаимозависимости функционального состояния различных долей коры мозга и подкорковых образований от кровоснабжения и питания кислородом имеют большое значение не только для характеристики уровня развития головного мозга и его функционального состояния у здоровых подростков, но и для оценки клинических симптомов различных заболеваний, в патогенезе которых гипоксия играет немаловажную роль. Перечисленное выше определяет актуальность исследований особенностей суммарной биоэлектрической активности различных областей коры больших полушарий и ее взаимосвязь с кровенаполнением и снабжением кислородом у подростков раннего пубертатного и пубертатного периодов [9–15].

Цель исследования. Провести сравнительный анализ биоэлектрической активности и циркуляторного обеспечения головного мозга у подростков при острой гипоксии.

Материалы и методы. Обследовано 100 лиц мужского пола двух возрастных групп: 1-я группа – 70 подростков в возрасте от 12 до 14 лет (ранний пубертатный период), 2-я группа – 30 подростков в возрасте от 15 до 17 лет (пубертатный период).

Регистрация РЭГ и ЭЭГ осуществлялась на комплексной отечественной установке «Телепат-103» с компьютерной обработкой результатов.

У испытуемых определялись показатели функциональной системы дыхания: минутный объем дыхания (МОД), дыхательный объем (ДО), частота дыхания (ЧД) с помощью волюметра (Финляндия), частота сердечных сокращений (ЧСС), систолический объем (СО), минутный объем кровообращения (МОК) по Пугиной и Старру, потребление кислорода (ПО 2 ) по Дугласу – Холдену. Гипоксические условия создавались аппаратом «Гипоксикатор» (Trade Medical) и установкой «Био-Нова-204» («Горный воздух»).

Работа велась в два этапа. Первый этап включал обследование подростков всех возрастных групп при нормальном атмосферном давлении и содержании кислорода во вдыхаемом воздухе 20,9 % (нормоксические условия). На втором этапе испытуемые обследовались в нормобарических условиях, но при пониженном содержании кислорода во вдыхаемом воздухе. Острая гипоксия создавалась в ходе гипоксического теста посредством вдыхания воздуха с пониженным содержанием кислорода в ингалируемой газовой смеси (14 %).

Статистическая обработка результатов проводилась согласно правилам математической статистики с использованием программ Microsoft Excel и Statistic 6.0 для Windows. Данные обрабатывались вариационно-статистическими методами. Уровень значимости оценивался по t-критерию Стьюдента, использовалась формула расчета ошибки средней a mM =  ,

Vn где m – ошибка средней, M – средняя арифметическая, σ – стандартное отклонение, n – выборка [1]. Критерий достоверности различий вычислялся по формуле

_ M1-M2 t D — .         .

Im^ +m^

Значения критерия достоверности различий (t D ) определялись при трех уровнях вероятности (p) и разных числах степеней свободы (ν). Число степеней свободы находилось по формуле ν=n-1.

Результаты и обсуждение. В ходе исследования было установлено, что у подростков раннего пубертатного периода еще присутствуют некоторые свойства распределения ритмов ЭЭГ, присущие детскому возрасту: в 12-летнем возрасте – низкий индекс альфа-ритма в лобных долях и почти в 3 раза более высокий индекс дельта-ритма по сравнению с индексом альфа-ритма в лобных долях, в 2 раза более высокий индекс дельта-ритма в затылочных долях мозга; у подростков 13–14 лет – преобладание суммарной медленной активности (тета+дельта) над быстрой активностью (альфа+бета).

Средние значения показателей биоэлектрической активности различных отделов коры головного мозга подростков 12–14 лет в покое в нормоксических условиях представлены в табл. 1. Доминирование альфа-ритма на ЭЭГ в этом возрасте еще не происходит, индекс наиболее медленной активности (дельта-ритма) оказывается наиболее высоким по сравнению с индексами других ритмов (табл. 1).

Таблица 1

Table 1

Индекс ритмов электроэнцефалограммы у подростков 12-14 лет в норме

Normal EEG indices in adolescents aged 12-14

Отведение ЭЭГ EEG lead	Индекс ритмов, % Rhythm index, %
	альфа alpha	бета beta	тета theta	дельта delta
F3	13,32 ± 0,63	6,32 ± 0,56	18,40 ± 1,29	61,95 ± 1,03
F4	13,14 ± 1,18	5,92 ± 0,56	18,16 ± 1,17	63,35 ± 1,97
O1	27,27 ± 1,37	9,34 ± 1,27	10,64 ± 0,94	52,76 ± 2,58
O2	29,80 ± 2,15	9,10 ± 1,39	9,74 ± 1,00	51,37 ± 3,12

В результате исследования биоэлектрической активности головного мозга у подростков 15–17 лет в нормоксических условиях было установлено, что электроэнцефалограмма подростков пубертатного периода начинает приобретать характеристики, близкие ЭЭГ взрослого человека (табл. 2). Это проявляется в нараста- нии числа колебаний альфа-ритма по сравнению с предыдущей возрастной группой. На ЭЭГ видно, что в затылочно-теменных областях особенно выделяются колебания в диапазоне альфа-ритма. Отличие от ЭЭГ взрослого человека состоит в некотором преобладании в лобных отделах мозга дельта- и тета-колебаний.

Таблица 2

Table 2

Индекс ритмов электроэнцефалограммы у подростков 15-17 лет в норме

Normal EEG indices in adolescents aged 15-17

Отведение ЭЭГ EEG lead	Индекс ритмов, % Rhythm index, %
	альфа alpha	бета beta	тета theta	дельта delta
F3	22,21 ± 1,63	4,33 ± 0,26	20,73 ± 1,28	52,60 ± 2,02
F4	22,69 ± 1,32	4,94 ± 0,37	18,39 ± 1,59	53,98 ± 2,41
O1	63,15 ± 2,81	3,63 ± 0,14	9,22 ± 0,92	24,00 ± 2,44
O2	49,22 ± 3,21	4,92 ± 0,48	12,12 ± 1,03	33,75 ± 3,04

В этом возрасте значения индекса альфа-ритма в разных долях коры колеблются в пределах 20–63 %. Наблюдается его рост в лобно-затылочном направлении, отмечается увеличение индекса альфа-ритма в затылочных долях коры.

Динамика биоэлектрической активности различных долей коры мозга у подростков 12–14 лет в результате действия сниженного содержания кислорода во вдыхаемом воздухе (14 % O 2 ) представлена в табл. 3.

Таблица 3

Table 3

Индекс ритмов электроэнцефалограммы у подростков 12-14 лет при гипоксии

EEG indices in adolescents with hypoxia aged 12-14

Отведение ЭЭГ EEG lead	Индекс ритмов, % Rhythm index, %
	альфа alpha	бета beta	тета theta	дельта delta
F3	16,92 ± 1,12*	6,20 ± 0,65	28,97 ± 2,32*	47,91 ± 2,52*
F4	21,99 ± 1,22*	7,53 ± 1,36	31,48 ± 2,95*	39,00 ± 2,29*
O1	28,62 ± 1,70	14,27 ± 2,80*	20,53 ± 1,84*	36,59 ± 3,51*
O2	36,40 ± 3,49*	13,35 ± 2,25*	18,12 ± 1,87*	32,13 ± 0,88*

Примечание. * – различия достоверны по сравнению с нормоксией (р≤0,05).

Note. * – the differences are significant compared with normoxia (p≤0.05).

Установлено, что на изменения ритмов ЭЭГ подростков данной возрастной группы гипоксия оказывает дифференцированное влияние, в частности способствует увеличению альфа-, бета- и тета-активности и снижению индекса дельта-ритма. Индекс альфа-ритма возрастает в пределах исследуемых областей коры мозга на 27–56 %.

Таким образом, у подростков 12–14 лет при гипоксии происходит уменьшение медленноволновых колебаний в дельта-диапазоне и увеличение колебаний в остальных ритмах ЭЭГ (альфа-, бета- и тета-).

Результаты исследований индекса ритмов ЭЭГ у подростков 15–17 лет при гипоксии представлены в табл. 4.

Таблица 4

Table 4

Индекс ритмов электроэнцефалограммы у подростков 15-17 лет при гипоксии

EEG indices in adolescents with hypoxia aged 15-17

Отведение ЭЭГ EEG lead	Индекс ритмов, % Rhythm index, %
	альфа alpha	бета beta	тета theta	дельта delta
F3	22,24 ± 2,16	4,04 ± 0,33	19,64 ± 1,20	52,66 ± 2,49
F4	18,55 ± 2,10*	3,87 ± 0,41*	18,36 ± 1,67	58,99 ± 2,57
O1	44,35 ± 3,73*	5,79 ± 0,64*	12,07 ± 1,10*	37,79 ± 3,16*
O2	34,30 ± 3,00*	6,42 ± 0,50*	15,50 ± 0,69*	42,92 ± 3,02*

Примечание. * – различия достоверны по сравнению с нормоксией (р≤0,05).

Note. * – the differences are significant compared with normoxia (p≤0.05).

При вдыхании воздуха с 14 % кислорода на ЭЭГ подростков данного возраста происходит рост индекса дельта-ритма во всех исследуемых областях коры мозга, причем наиболее значительный – в затылочных долях мозга.

В отличие от подростков 12–14 лет, у которых биоэлектрическая активность при гипоксии характеризуется уменьшением колебаний дельта-волн, у подростков пубертатного периода происходит увеличение дельта-ак- тивности, а в большинстве случаев и тета-ритма. Это указывает на своеобразную реакцию коры головного мозга, связанную с функциональными гормональными перестройками, присущими организму в раннем пубертатном и пубертатном периодах.

У лиц обеих возрастных категорий рео-графический индекс (РИ) в лобных отведениях оказался выше, чем в затылочных долях коры головного мозга (табл. 5).

Таблица 5

Table 5

Значения реографического индекса в затылочных и лобных отведениях у подростков при нормоксии

Rheographic indices in frontal and occipital leads in adolescents with normoxia

Возраст, лет Age, years old	Отведения РЭГ REG lead
	FMd	FMs	Omd	Oms
12–14	0,146 ± 0,015	0,141 ± 0,009	0,098 ± 0,018	0,129 ± 0,013
15–17	0,145 ± 0,009	0,130 ± 0,014	0,105 ± 0,011	0,086 ± 0,010

Несмотря на то что РИ имеет склонность к снижению, сопряженную с возрастом, подобные изменения в исследуемых возрастных периодах практически не прослеживаются.

Известно, что РИ является косвенным по- казателем кровенаполнения того или иного участка головного мозга, поэтому данные об изменении РИ в условиях гипоксии могут быть полезными для оценки кровенаполнения различных участков мозга (табл. 6).

Таблица 6

Table 6

Показатели реографического индекса в лобных и затылочных отведениях у подростков разного возраста при гипоксии

Rheographic indices in frontal and occipital leads in adolescents of different age with hypoxia

Возраст, лет Age, years old	Отведения РЭГ REG lead
	FMd	FMs	Omd	Oms
12–14	0,174 ± 0,012	0,163 ± 0,006*	0,122 ± 0,026	0,189 ± 0,011*
15–17	0,178 ± 0,005*	0,150 ± 0,015	0,156 ± 0,004*	0,106 ± 0,012

Примечание. * – различия достоверны по сравнению с нормоксией (р≤0,05).

Note. * – the differences are significant compared with normoxia (p≤0.05).

У подростков 15-17 лет при действии острой гипоксии усиливается кровенаполнение головного мозга. При сопоставлении полученных результатов с показателями трофики организма в целом можно судить о ФСД у лиц разных возрастных групп. Безусловно, кровенаполнение головного мозга зависит от гемодинамических факторов, влияющих на перераспределение крови в кровеносном русле, от минутного объема кровообращения и степени оксигенации артериальной крови.

Основная задача ФСД - обеспечение адекватности поэтапного процесса массопере-носа респираторных газов метаболическим потребностям организма, т.е. обеспечение такой скорости доставки кислорода, которая удовлетворяла бы кислородный запрос всех органов, в т.ч. и головного мозга [8, 16-22]. При гипоксии у подростков раннего пубертатного возраста статистически значимо (р<0,05) увеличился минутный объем дыхания (на 19 %) за счет возрастания его частоты. При этом достоверного увеличения дыхательного объема не произошло. Отмечалось снижение доли альвеолярной вентиляции в МОД до 61,4 ± 0,8 % и падение скорости потребления кислорода до 168,0 ± 2,0 мл/мин, что свидетельствовало о развитии тканевой гипоксии. У подростков пубертатного периода эти изменения носили более выраженный характер.

Аналогичные изменения у подростков раннего пубертатного и пубертатного периодов выявлялись со стороны системной гемодинамики при действии острой гипоксии: увеличился МОК, ЧСС без достоверного возрастания ударного объема сердца, что характеризовало пониженную экономичность и эффективность кровообращения.

Заключение. Всестороннее исследование биоэлектрической активности мозга и его циркуляторного обеспечения в условиях гипоксии показало, что показатели РЭГ лобных областей у подростков раннего пубертатного и пубертатного периодов более высокие, чем в затылочных отведениях. При сопоставлении фронтальных и затылочных отведений ЭЭГ в тех же возрастных группах зафиксирована аналогичная закономерность по показателям дельта-ритма.

Анализ реоэнцефалограмм при гипоксии у подростков в двух возрастных группах пока- зал, что РИ, являющийся показателем кровенаполнения, достоверно увеличивается в обеих возрастных категориях.

В период ранней половозрелости значительное влияние на направленность ЭЭГ и РЭГ при гипоксии оказывают эндокринные изменения, связанные с половым созреванием. В 12-14 лет повышается активность гипота-ламо-гипофизарной системы, что оказывает существенное влияние на формирование полового статуса подростков. Как следствие, происходит увеличение мозгового кровотока, сопряженное с повышением индекса альфа-ритма и уменьшением дельта-активности. Надо полагать, это связано с высоким фоновым всплеском в нормоксических условиях дельта-колебаний, которые при гипоксии снижаются за счет уменьшения влияния лимбической системы. Усиление циркуляторного обеспечения мозга на фоне усиления биоэлектрической активности, очевидно, связано с перераспределением крови, в результате которого происходит стабилизация тканевого дыхания мозга за счет включения как системных, так и местных механизмов и приспособительных реакций на тканевом уровне.

У подростков пубертатного периода, чей нейрофизиологический статус приближается к статусу взрослого человека, увеличение мозгового кровообращения приводит к снижению альфа-ритма и увеличению медленноволновых дельта-колебаний в лобных и затылочных отведениях. Это является доказательством гетерогенной чувствительности параметров ЭЭГ к изменениям функционального состояния ЦНС и окислительно-восстановительного метаболизма нервной ткани у подростков к началу и концу полового созревания.

Полагаем, что результаты проведенных исследований внесут вклад в диагностику нарушений функционального состояния головного мозга у подростков с различной аномалией. На сегодняшний день метод ЭЭГ имеет большое значение при скрининге пациентов с различными типами неврологических расстройств, включая ишемию головного мозга, энцефалопатию и прочие заболевания. Выявление действия острой гипоксии на организм здоровых и больных необходимо для подбора оптимального содержания кислорода во вдыха- емой смеси при проведении интервальной гипокситерапии, которая находит эффективное применение в лечении таких болезней, как неспецифический хронический обструктивный бронхит, близорукость, в реабилитации пациентов после перенесенной пневмонии, вызванной COVID-19, и профилактике ее развития у лиц, относящихся к группе риска.